AVX White paper 2
Werbung
WHITE PAPER Welches ist die optimale Ausgangskondensatortechnologie für einen DC/DC-Wandler? R. Faltus, Z. Flegr, R. Sponar, M. Jáne, T. Zednícek Zusammenfassung Schaltstromversorgungen (SMPS, Switching Mode Power Supplies) sind in vielen elektronischen Systemen zu finden. Wichtige Anforderungen an Schaltstromversorgungen sind: stabile Ausgangsspannung unter allen Laststrombedingungen, geringe Temperaturdrift, geringe Welligkeit und hoher Gesamtwirkungsgrad. Schaltstromversorgungen für mobile Geräte sollten außerdem möglichst klein und leicht sein. Ein Schlüsselbauteil in Schaltstromversorgungen ist der – zur Speicherung von Ladung und zur Glättung von Spannungen dienende – Ausgangskondensator. Die verwendeten Kondensatoren müssen sorgfältig ausgewählt werden, weil sie für die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung von entscheidender Bedeutung sind. Es stehen mehrere Kondensatortechnologien zur Auswahl – Tantal, Keramik (MLCC), Niobioxid (NbO) und Aluminium – die sich in ihren elektrischen Eigenschaften erheblich voneinander unterscheiden. Dieser Artikel präsentiert die Ergebnisse einer Betriebsspannungen von Notebooks liegen in der Benchmark-Studie Regel zum Ausgangskondensatoren Verhalten in einem von DC/DC- zwischen 15 und 22V, die internen Betriebsspannungsschienen arbeiten häufig mit 3,3 Abwärtswandler-Design auf der Basis des weit und 5V. verbreiteten Controller-ICs MAX 1537 mit einem Mit Eingangsspannungsbereich von 6 bis 24V und Halbleiterhersteller zwei separaten Ausgängen, 3,3V bzw. 5V. Untersucht Controller an, die für diese Spannungsbereiche wurde optimiert wurden. Ein solcher Controller bildet die Ausgangsspannungswelligkeit bei Verwendung verschiedener Kondensatortypen. Blick auf diese Marktsituation integrierte bieten DC/DC-Wandler- zusammen mit einigen externen passiven, diskreten Bauteilen einen DC/DC-Wandler, der Ausgangsströme Die Auswahl eines geeigneten Ausgangskondensators bis zu einigen Ampere liefern kann. Die Benchmark- spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Messungen wurden an einem Evaluation-Kit für Schaltregler-Spannungswandlern. “Etwa 99 Prozent Notebook-DC/DC-Wandler durchgeführt, das auf dem der 'Design'-Probleme bei Linear- und Schaltregler- Controller MAX1537 von Maxim basiert. Abbildung 1 Stromversorgungen lassen sich direkt auf den Einsatz zeigt die Messanordnung. Abbildung 1: Messanordnung mit Evaluation-Kit MAX1537EV als Messobjekt. Frequenzabhängigkeit der Kapazität und des ESR ungeeigneter Kondensatoren zurückführen”, so wird im National Semiconductor IC Power Handbook behauptet. Der Ausgangskondensator ist deshalb so wichtig, weil er (zusammen mit der Hauptinduk- Zunächst wurden die Frequenzcharakteristiken der tivität) die zum Ausgangfließende elektrische Energie Kapazität und des ESR zweier Kondensatorgruppen speichert und die Ausgangsspannung glättet. Die gemessen. Die erste Gruppe umfasste verschiedene Frequenzabhängigkeit der Kapazität sowie der 220µF-Kondensatoren, die für das 3,3V-Erprobungskit effektive Serienwiderstand (ESR, effective serial spezifiziert waren. Die zweite Gruppe umfasste resistance) und die Abhängigkeit dieser Größen veschiedene von 5V-Erprobungskit der Temperatur und der anliegenden 150µF-Kondensatoren, spezifiziert die waren. für das Hohe Gleichspannung sind die wichtigsten Kenndaten von Temperaturstabilität ist eine der am häufigsten Ausgangskondensatoren; diese Parameter bestimmen gestellten Anforderungen an einen DC/DC-Wandler. maßgeblich die Leistungsfähigkeit und Funktionalität Deshalb bestimmten wir mit einer zweiten Messung des gesamten Stromversorgungssystems. In einem die Kapazitäts- und ESR-Stabilität in Abhängigkeit von Benchmark-Test wurden diese Schlüsselparameter an der Temperatur und der anliegenden Gleichspannung. verschiedenen Kondensatortypen gemessen. Notebooks zählen elektronischen weil sie hohe zu den anspruchsvollsten DC/DC-Wandler-Anwendungen, Ausgangsströme erfordern. Die 1 Frequenzcharakteristiken verschiedener Kondensatortypen für den 3,3V-Ausgang Abbildung 2: Kapazität verschiedener Kondensatortypen für den 3,3V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz. Abbildung 3: ESR verschiedener Kondensatortypen für den 3,3V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz. 2 Die Abbildungen 2 und Frequenzcharakteristiken satortypen, die für 3 zeigen verschiedener den Kondensatoren im Frequenzbereich von 10 und Konden- 100kHz nur einen leichten Kapazitätsabfall; dagegen des zeigen die Tantal-MnO2- und Aluminium-Elektrolyt- Erprobungskits spezifiziert sind. Alle getesteten kondensatoren im gleichen Frequenzbereich einen Kondensatoren hatten eine Nennkapazität von 220µF stärkeren Abfall. Die tatsächliche Kapazität des MLCC- (mit Ausnahme des MLCCs, hier wurden zwei 100µF- Kondensators ist wegen der während der Messung Kondensatoren parallelgeschaltet). In die Messungen anliegenden Gleichspannung kleiner als der Nennwert. wurden Kondensatortechnologien Abbildung 3 lässt den sehr kleinen ESR der MLCC- einbezogen: Tantal-Polymer, Tantal-MnO2 (Einzel- und Kondensatoren und den immer noch relativ kleinen Mehranodenkonstruktion), Niobioxid-MnO2, MLCC ESR der Tantal-Polymer-Kondensatoren erkennen. Der und Aluminiumelektrolyt. ESR von Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist über folgende 3,3V die Ausgang- den gesamten gemessenen Frequenzbereich relativ Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, zeigen die Tantal-Polymer- und groß. Tantal-MnO2-Multi-Anoden- Abbildung 4: Kapazität verschiedener Kondensatortypen für den 5V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz. 3 Abbildung 5: ESR verschiedener Kondensatortypen für den 5V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Abbildungen 4 und Frequenzcharakteristiken Kondensatortypen für 5 der den 5V zeigen die Abhängigkeit der Kapazität von Spannung und Temperatur verschiedenen Ausgang- des Die Benchmark-Tests haben ergeben, dass Konden- Erprobungskits; die Nennkapazität beträgt 150µF, mit satoren Ausnahme des MLCCs (100µF) und des Aluminium- Gesamt-Kapazitätsstabilität aufweisen. Die Kapazität Elektrolytkondensators (100µF). von in Tantal-MnO2-Technologie die Niob-Oxid-MnO2-Kondensatoren größere Abhängigkeit von der zeigt beste eine anliegenden Tantal-MnO2-Kondensatoren, sowohl in Einzelanoden- Gleichspannung und die von Tantal-Polymer-Konden- als auch Multi-Anoden-Ausführung, behalten auch bei satoren höheren Frequenzen (oberhalb 100kHz) eine relativ Temperatur. Die Kapazität von MLCCs ist in hohem hohe Kapazität, wogegen Niob-Oxid-MnO2- und Maße sowohl von der Temperatur als auch von der Aluminium-Elektrolytkondensatoren bei anliegenden Gleichspannung abhängig. Die Kapazität niedrigeren Frequenzen schneller an Kapazität von Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist zwar von verlieren (siehe Abbildung 4). MLCCs glänzen im der anliegenden Gleichspannung unabhängig, zeigt Frequenzbereich um 100kHz herum durch einen dafür aber eine starke Temperaturabhängigkeit. schon eine größere Abhängigkeit von der sehr kleinen ESR; Multi-Anoden-Tantal-MnO2 und Tantal-Polymer-Kondensatoren zeigen im gleichen Frequenzbereich einen relativ kleinen ESR, wogegen Abhängigkeit des ESR von Spannung und Temperatur Aluminium-Elektrolytkondensatoren gesamten Frequenzbereich einen über den Bei allen Kondensatortypen erwies sich der ESR als großen ESR relativ aufweisen. unabhängig von der anliegenden Gleichspannung. Bei der Temperaturabhängigkeit zeigen sich jedoch Unterschiede. Bei Tantal-Polymerund MLCC-Kondensatoren ist der ESR am wenigsten 4 von der Temperatur abhängig. Der ESR von MLCC ist das Spektrum des Tantal-MnO2-Designs schwächere über den gesamten Temperaturbereich sehr klein. Bei Oberwellen höherer Ordnung aufweist. Das gilt Tantal-MnO2- und Niob-Oxid-MnO2-Kondensatoren sowohl nimmt der ESR mit steigender Temperatur ab. 5V-Ausgang. Die Grundfrequenz der Welligkeit ist Aluminium-Elektrolytkondensatoren verhalten sich natürlich gleich der Schaltfrequenz (fsw) des Wandlers, anders abnehmenden in diesem Fall 300kHz. Bei Verwendung von MLCC- Temperaturen (unter 0ºC) auf sehr hohe Werte an. Das Kondensatoren zeigte sowohl die 3,3V- als auch die liegt an der geringen Leitfähigkeit des nassen 5V-Schaltung unerwünschte Schwingungen mit einer Elektrolyts bei niedrigen Temperaturen. Frequenz von etwa 50 kHz und wegen der Instabilität – der ESR steigt bei für den 3,3V- als auch für den des Reglers eine hohe effektive Wechselspannung. Welligkeit der DC/DC-WandlerAusgangsspannung Wenn man die Spektren der Auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren lieferten keine befriedigenden Ergebnisse. Ausgangsspan- nungswelligkeit des Tantal-Polymer-Designs und des Tantal-MnO2-Designs vergleicht, stellt man fest, dass Abbildung 5: ESR verschiedener Kondensatortypen für den 5V-Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz. 5 Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannungswelligkeit Abbildung 6: a) Welligkeit der 3,3V-Ausgangsspannung; b) vergrößerter Ausschnitt. Abbildung 7: a) Welligkeit der 5V-Ausgangsspannung; b) vergrößerter Ausschnitt. 6 Die Abbildungen 6 und 7 zeigen, dass die Schaltungen der mit Aluminium-Elektrolytkondensatoren und MLCC- Elektrolytkondensatoren haben über den gesamten Kondensatoren über einen weiten Temperaturbereich Temperaturbereich hinweg einen so großen ESR, dass eine hohe Ausgangsspannungswelligkeit aufweisen. sie die Ausgangsspannung nur ungenügend glätten – Die Abbildungen 6b und 7b zeigen einen vergrößerten bei Ausschnitt des Diagramms. Bei beiden Ausgängen und nungswelligkeit wesentlich höher als bei anderen bei den meisten Kondensatortechnologien verringert Technologien. Beim Einsatz von MLCC-Kondensatoren sich die Welligkeit mit zunehmender Temperatur führt der sehr kleine ESR zur Instabilität der annähernd Aluminium-Elektrolytkonden- Schaltung, was ebenfalls eine hohe Welligkeit zur satoren und MLCC-Kondensatoren stellen in dieser Folge hat. Bei den anderen Technologien ist die Hinsicht eine Ausnahme dar. Diese Kondensatortypen Ausgangsspannungswelligkeit zeigen ein eher exponentielles Temperaturverhalten je kleiner der ESR und je größer die Kapazität ist. linear. Kapazität dieser und Technologie des ist ESR. die Aluminium- Ausgangsspan- umso Zusammenfassung Ergebnisse vorläufiger statischer Messungen an verschiedenen Ausgangskondensator-Typen 7 geringer, Ergebnisse von Messungen an einer ausgeführten Stromversorgung Fazit Bei unseren Experimenten zeigte sich, dass der ESR von kleinen ESR aufweisen – beispielsweise Tantal- MLCC-Kondensatoren (Größenordnung 1 – 2mΩ) für Polymer- die gegebene Schaltung zu klein ist; dadurch begann Multi-Anoden-Ausführungen die Schaltung zu schwingen, was zu einer relativ hohen Ausgangsspannungswelligkeit über den gesamten Ausgangsspannungswelligkeit führte. Deshalb ist Temperaturbereich erzielt. Beim Einsatz von MLCC- dieser Kondensatortyp für diesen Benchmark-Test oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren muss man ungeeignet. Beim Einsatz von MLCCs muss man sorgfältig prüfen, ob die Schaltung stabil arbeitet sorgfältig überprüfen, ob die Schaltung bei derart (MLCC) bzw. ob die Ausgangsspannungswelligkeit kleinen ESR-Werten noch stabil arbeitet. Bei den noch Benchmarks Kosten/Performance-Verhältnis lässt sich auch unter zeigten die Aluminium- oder Tantal-MnO2-Typen, akzeptabel ist – insbesondere die (Aluminium). geringste Ein Verwendung von NbO-Kondensatoren erzielen. Elektrolytkondensatoren wegen ihrer großen ESRWerte, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, eine hohe Ausgangsspannungswelligkeit und eine unzureichende Glättung. Unsere Messungen an einem Erprobungskit Maxim MAX1537EVKIT haben gezeigt, dass man mit Ausgangskondensatoren, die einen 8 gutes
